JAVA虛擬機器（JVM）詳細介紹（六）－字節碼執行引擎

JVM中的執行引擎在執行java程式碼的時候，一般有解釋執行（透過解釋器執行）和編譯執行（透過即時編譯器產生本地程式碼執行）兩種選擇。

堆疊幀

定義：

#堆疊幀是用於支援虛擬機器進行方法呼叫和方法執行的數據結構，它位於虛擬機器棧裡面。

作用：

每個方法從呼叫開始到執行完成的過程中，都對應著一個堆疊幀在虛擬機器棧裡面從入棧到出棧的過程。

特點：

（1）堆疊幀包含了局部變數表，操作數棧等，到底是需要多大的局部變數表，多深的操作數棧是在編譯期確定的。因為一個堆疊幀需要分配多少內存，不會受到程式運行期變數資料的影響。

（2）兩個堆疊幀之間的資料共享。在概念模型中，兩個堆疊幀是完全獨立的，但是在虛擬機器的實作裡會做一些最佳化處理，讓兩個堆疊幀出現一部分重疊。這樣在進行方法呼叫時，就可以共用一部分數據，無須進行額外的參數複製傳遞。

（1）局部變數表

局部變數表是一組變數值儲存空間，用於存放方法參數和方法內部定義的局部變數。

//方法参数   
max(int a,int b)

int a;//全局变量
void say(){
   int b=0;//局部变量
 }

局部變數和類別變數（用static修飾的變數）不同

類別變數有兩次賦初始值的過程：準備階段（賦予系統初始值）和初始化階段（賦予程式設計師定義的初始值）。所以即使在初始化階段沒有為類別變數賦值也沒關係，它仍然有一個確定的初始值。
但局部變數不一樣，如果定義了，但沒有賦初始值，是不能使用的。

（2）操作堆疊

當一個方法剛開始執行的時候，這個方法的運算元堆疊是空的，在方法的執行過程中，會有各種字節碼指令往操作數棧中寫入和提取內容，也就是出棧、入棧操作。

例如，計算：

int a=2+3

操作數棧中最接近棧頂的兩個元素是2和3，當執行iadd指令時，會將2和3出棧並相加，然後將相加的結果5入棧。

（3）動態連結

Class檔案的常數池中存有大量的符號引用，字節碼中的方法呼叫指令就以常數池中指向方法的符號參考作為參數。這些符號引用分為兩部分：

靜態解析：在類別載入階段或第一次使用的時候就轉換為直接引用。動態連結：在每一次運行期間轉換為直接引用。

（4）回傳位址

#

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：正常退出、异常退出。无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。

当方法正常退出时

调用者的PC计数器作为返回地址。栈帧中一般会保存这个计数器值。

当方法异常退出时

返回地址是要通过异常处理器表来确定的。栈帧中一般不会保存这部分信息。

方法调用

方法调用是确定调用哪一个方法。

（1）解析

对“编译器可知，运行期不可变”的方法进行调用称为解析。符合这种要求的方法主要包括

静态方法，用static修饰的方法私有方法，用private修饰的方法

（2）分派

分派讲解了虚拟机如何确定正确的目标方法。分派分为静态分派和动态分派。讲解静动态分派之前，我们先看个多态的例子。

Human man=new Man()；

在这段代码中，Human为静态类型，其在编译期是可知的。Man是实际类型，结果在运行期才可确定，编译期在编译程序的时候并不知道一个对象的实际类型是什么。

静态分派：

所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作称为静态分派。它的典型应用是重载。

public class StaticDispatch{  
   static abstract class Human{  
    }  
   static class Man extends Human{
    }
    static class Woman extends Human{
    }
    public void say(Human hum){  
        System.out.println("I am human");  
    }  
    public void say(Man hum){  
        System.out.println("I am man");  
    }  
    public void say(Woman hum){  
        System.out.println("I am woman");  
    }  
    
    public static void main(String[] args){  
        Human man = new Man();  
        Human woman = new Woman();  
        StaticDispatch sr = new StaticDispatch();  
        sr.say(man);  
        sr.say(woman);  
    }  
}

运行结果是：

I am human
I am human

为什么会产生这个结果呢？
因为编译器在重载时，是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判断依据的。在编译阶段，javac编译器会根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本，所以两个对say()方法的调用实际为sr.say(Human)。

动态分派：

在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程。它的典型应用是重写。

public class DynamicDispatch{  
   static abstract class Human{  
            protected abstract void say();
    }  
   static class Man extends Human{
            @Override
             protected abstract void say(){
             System.out.println("I am man");  
            }
    }
    static class Woman extends Human{
         @Override
             protected abstract void say(){
             System.out.println("I am woman ");  
            }
    }
    
    public static void main(String[] args){  
        Human man = new Man();  
        Human woman = new Woman();  
        man.say();
        woman.say();
        man=new Woman();
        man.say();
    }  
}

运行结果：

I am man
I am woman 
I am woman

这似乎才是我们平时敲的java代码。对于方法重写，在运行时才确定调用哪个方法。由于Human的实际类型是man，因此调用的是man的name方法。其余的同理。

动态分派的实现依赖于方法区中的虚方法表，它里面存放着各个方法的实际入口地址。如果某个方法在子类中被重写了，那子类方法表中的地址将会替换为指向子类实现版本的入口地址，否则，指向父类的实现入口。

单分派和多分派：

方法的接收者与方法的参数统称为方法的宗量，根据分派基于多少种宗量，分为单分派和多分派。

在静态分派中，需要调用者的实际类型和方法参数的类型才能确定方法版本，所以其是多分派类型。在动态分派中，已经知道了参数的实际类型，所以此时只需知道方法调用者的实际类型就可以确定出方法版本，所以其是单分派类型。综上，java是一门静态多分派，动态单分派的语言。

字节码解释执行引擎

虚拟机中的字节码解释执行引擎是基于栈的。下面通过一段代码来仔细看一下其解释的执行过程。

public int calc(){  
    int a = 100;  
    int b = 200;  
    int c = 300;  
    return (a + b) * c;  
}

第一步：将100入栈。

第二步：將操作堆疊中的100出棧並存放到局部變數中。後面的200,300同理。

第三步：將局部變數表中的100複製到運算元棧頂。

第四步：將局部變數表中的200複製到運算元棧頂。

第五步：將100和200出棧，做整數加法，最後將結果300重新入棧。

第六步：將第三個數300從局部變數表複製到堆疊頂端。接下來就是將兩個300出棧，進行整數乘法，將最後的結果90000入棧。

第七個步驟：方法結束，將操作數棧頂的整數值傳回給此方法的呼叫者。

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